1.8. Цветные металлы и сплавы

Алюминий и его сплавы. Алюминий - легкий металл (плотность 2700 кг/м³), обла­дает высокими теплопроводностью и электропрово­димостью, стоек к коррозии. Температура плавления алю­миния 658 °С.

Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обраба­тываются прокаткой, ковкой, штамповкой. К деформируемым алю­миниевым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, от­носятся сплавы системы Аl—Мn (АМц), содержащие до 1,6% Мn, и сплавы системы Al—Mg (АМг), содержащие до 5,8% Mg. Эти сплавы обладают высокой пластичностью и невысокой прочностью.

К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термиче­ской обработкой, относятся сплавы системы Аl—Сu—Mg с добавками некоторых элементов (дуралюмины, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного химического со­става. Дуралюмины (Д16—Д18) содержат 3,8...4,8% Сu, 0,4...1,8% Mg, а также 0,4...0,9% Мn, который повышает коррозионную стойкость сплавов. После термической обработки (закалка и ес­тественное старение) эти сплавы имеют высокую прочность и удли­нение. Ковочные сплавы (АК6—АК8) содержат 1,8...4,8% Сu, 0,4...0,8% Mg, 0,4...1% Мn, 0,6...1,2% Si, хорошо деформиру­ются в нагретом состоянии, обладают высокой прочностью после закалки и старения. Их используют для изготовления крыльчаток, рам, фитингов обработкой давлением. Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготов­ления деталей машин и приборов литьем. Наиболее широко исполь­зуют сплавы алюминия с содержанием 10...13% Si (системы Аl—Si), например, АЛ2, АЛ4, АЛ9.

Сплавы алюминия с медью (системы Аl—Сu, содержащие 4,5...5,3% Сu) и марганцем (до 1% Мn) обладают повышенной прочно­стью. Это сплавы АЛ7, АЛ 19 и др. Их применяют для литья деталей, работающих при достаточно высоких нагрузках (кронштейны, арматура и др.).

Сплавы алюминия с магнием (системы Al—Mg, содержащие 9,5...11,5% Mg) обладают хорошей коррозионной стойкостью и применяются для отливок, работающих во влажной атмосфере. Это сплавы АЛ8, АЛ13. Часто отливки из алюминиевых литейных сплавов подвергают термической обработке (закалке и старению) для повышения прочности, пластичности, снижения остаточных на­пряжений.

Алюминий применяют для приготовления спеченных алю­миниевых сплавов (САС) и спекаемых алюми­ниевых пудр (САП), из которых изготовляют детали ме­тодами порошковой металлургии, позволяющей получать детали с особыми свойствами — коррозионной стойкостью, прочностью, пористостью и т. д.

Магний и его сплавы. Магний — легкий металл (плотность 1740 кг/м³), температура его плавления 651 °С. Магниевые сплавы разде­ляют на деформируемые и литейные, не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые магниевые сплавы (МА) содержат до 2% Мn, до 5% Аl, десятые доли процента церия, например сплавы МА2, МА8, не упрочняемые термической обработкой; высо­копрочные сплавы — до 9% Аl и 0,5% Мn (сплав МА5). Жаропроч­ные магниевые сплавы содержат добавки циркония, никеля и др.

Литейные магниевые сплавы (МЛ6, МЛ3) содержат 2,5...9% Аl и 0,5...1,5% Zn, а также 0,15...0,5% Мn, имеют хорошие демпфирующие свойства (гасят колебания конструкции). Однако эти сплавы обладают невысокой коррозионной стойкостью, и для ее повышения отливки оксидируют, покрывают лаками.

Медь и ее сплавы. Технически чистая медь имеет плотность 8940 кг/м³, температуру плавления 1083 °С, обладает высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, малым удельным электросопротивлением, высокой теплопроводностью, и поэтому ее широко используют для изготовления электропроводов, деталей электриче­ских машин и приборов, в химическом машиностроении.

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы — это сплавы меди с оловом (4...33% Sn), свинцом (30% Рb), алюминием (5...11% Аl), кремнием (4...5% Si), сурьмой и фосфором. Латуни — это сплавы меди с цинком (до 50% Zn) с небольшими добавками алюминия, кремния, никеля, марганца. Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Л — латунь, Бр — бронза), после чего следует первые буквы основных названий эле­ментов, образующих сплав, и цифры, указывающие количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛЦ40Мц1,5 — латунь, содержащая 40% Zn, 1,5% Мn, остальное Сu.

Бронзы и латуни разделяют на деформируемые и литейные. Ли­тейные бронзы и латуни отличаются от деформируемых тем, что в их состав вводят добавки, улучшающие литейные свойства сплава — повышающие жидкотекучесть, уменьшающие усадку. Од­нако эти добавки снижают пластические свойства литейных бронз и латуней по сравнению с деформируемыми.

Медно-никелевые сплавы выделены в особую группу. Их разделяют на конструкционные и электротехнические. Например, мельхиор МН19 используется для изготовления деталей машин, деталей точной механики, медицинского инструмента.

Титан и его сплавы. Титан — тугоплавкий металл [температура плавления (1665±5) °С], плотность 4500 кг/м³, он об­ладает высокой коррозионной стойкостью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей. Поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40 %. Однако титан имеет низкую жаропрочность, так как при температурах выше 550...600 °С легко окисляется и поглощает водород. Титан хорошо обраба­тывается давлением, сваривается, из него изготовляют сложные от­ливки, но обработка его резанием затруднительна.

Для получения сплавов с заданными свойствами титан легируют алюминием, молибденом и др. Наибольшее применение нашли сплавы, легированные алюминием, например сплав ВТ5 (до 5% Аl). Из этого сплава получают поковки, отливки.

Для получения требуемых механических свойств титановые сплавы подвергают термической обработке (отжигу, закалке и ста­рению) в печах с защитной атмосферой. Титан и его сплавы исполь­зуют для изготовления деталей самолетов, в химическом машино­строении, судостроении и других отраслях машиностроения.

Помимо указанных применяют сплавы и на основе других металлов.

2. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ТЕПЛОВЫМИ

СВОЙСТВАМИ

2.1. Сплавы с заданным температурным

коэффициентом линейного расширения

К этой группе материалов относят сплавы системы Fe-Ni. При больших содержаниях никеля в сплавах образует­ся непрерывный ряд твердых растворов с ГЦК. Соглас­но правилу Курнакова температурный коэффициент линейного расширения твердых растворов в функции состава изменяется по непрерывной криволиней­ной зависимости. В сплавах Fe-Ni эта зависимость более сложная, что дает возможность создавать сплавы с малым температурным коэффициен­том линейного расширения - инварные сплавы.

Заниженное значение температурного коэффициента линейного расширения в инварных сплавах имеет ферромагнитную природу и объясняется большой магнитострикцией парапроцесса.

Во всех ферромагнитных материалах, кро­ме сплавов инварного типа, намагниченность M_s в области парапроцесса с ростом поля практически не меняется (рис. 9) (штрихо­вая линия).

В сплавах инварного типа намагничен­ность в этой области увеличивается (сплош­ная линия) в результате дополнительной ориентации спиновых моментов элек­тронов, несколько разориентированных те­пловым движением, и вызывает большие магнитострикционные явления.

Рис. 9. Основная кривая намагничивания

Магнитострикция - изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (Н < H_s) магнитострикция носит ли­нейный характер, в области парапроцесса (Н > Н_s) - объемный.

Такие же явления возникают под влия­нием внутреннего магнитного поля ферро­магнетика (рис. 10): в отсутствие внешнего поля форма и размер домена искажены магнитострикцией. Истинные размеры выя­вляются лишь при нагреве до температур выше температуры точки Кюри (t > θ), когда устраняются все магнитострикционные де­формации в связи с переходом в парамаг­нитное состояние.

Рис. 10. Схема изменения формы и раз­мера домена ферромагнетика под влиянием внутреннего магнитного поля

Истинные размеры доме­на условно показаны на рис. 10 в виде наименьшего квадрата. При охлаждении до температур ниже точки Кюри (t < θ) линей­ная магнитострикция искажает форму доме­на, вытягивая его в направлении вектора самопроизвольной намагниченности (превра­щая квадрат в прямоугольник). Объемная магнитострикция увеличивает размеры доме­на (прямоугольника).

В кристаллах ферромагнетика, исключая сплавы инварного типа, магнитострикция, возникшая из-за внутреннего поля, не обна­руживается, так как объемная магнитострик­ция в них мала, а линейная компенсируется деформацией доменов в различных напра­влениях. В сплавах же инварного типа раз­меры ферромагнетика оказываются увеличенными, так как в них велика объемная магнитострикция.

Температурный коэффициент линейного расширения для ферромагнетиков в общем виде определяется формулой

α = α₀ - Δ,

где α₀ - нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; Δ - ферромагнитная часть коэффи­циента линейного расширения, основной со­ставляющей которой является объемная маг­нитострикция парапроцесса.

Изменение размеров детали из инварного сплава при нагреве, описываемое формулой А_t = А₂₀(1 + αt), показано в виде схемы (рис. 11). Нормальная составляющая раз­мера А₀, определяемая энергией связи ато­мов, растет вследствие уменьшения энергии при нагреве. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции, так как при нагреве уменьшается намагниченность фер­ромагнетика из-за тепловых колебаний ато­мов.

В результате размер А при нагреве до тем­пературы точки Кюри увеличивается незна­чительно, а для некоторых инварных сплавов даже уменьшается, т. е. коэффициент линей­ного расширения имеет отрицательное зна­чение.

Так, сплав, содержащий 54% Со, 9%Сr и 37% Fe, в интервале температур от 20 до 70°С имеет α = -1,2∙10^{- 6} 1/°С. Этот сплав из-за высокого содержания хрома имеет хо­рошие антикоррозионные свойства.

Рис. 11. Схема изменения размера крис­талла

инварного сплава при нагреве

При нагреве выше температуры точки Кю­ри ферромагнитная часть коэффициента те­плового расширения исчезает вследствие перехода сплава в парамагнитное состояние, и коэффициент α резко возрастает. Все ска­занное объясняет аномально заниженные значения коэффициента α у инварных спла­вов.

Сплав 36Н, называемый инваром (не­изменный), основной представитель сплавов с минимальным коэффициен­том α. Низкое значение коэффициента α в области температур 20-25 °С, а так­же хорошие механические, технологиче­ские и антикоррозионные свойства по­зволили использовать инвар как кон­струкционный материал для деталей приборов, от которых требуется по­стоянство размеров при изменении тем­пературы в условиях эксплуатации.

Значения коэффициента α в значитель­ной степени зависят от содержания при­месей (особенно углерода) и технологии термической обработки сплава.

Углерод в процессе термической обра­ботки образует с железом и никелем пересыщенные твердые растворы вне­дрения. В процессе эксплуатации, выде­ляясь, углерод вызывает «ползучесть» значения коэффициента α. Это связано с изменением параметра кристалличе­ской решетки и магнитострикции парапроцесса, поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более 0,05 %). Минимальное значение коэффициента α у инвара достигается после закалки от 830 °С, в процессе ко­торой все примеси переходят в твердый раствор. Отпуск при 315 °С в течение 1 ч приводит к выделению мелкодис­персных избыточных фаз; последующее старение при 95°С в течение 48 ч сни­мает все остаточные внутренние напря­жения, возникающие в процессе техно­логической обработки деталей, и стаби­лизирует значение коэффициента α.

Свойства инвара дополнительно улуч­шают легированием кобальтом, ко­торый частично заменяет никель, и медью. Сплав такого типа, назы­ваемый суперинвар, имеет еще более низкое значение коэффициента α.

Особую группу составляют сплавы для пайки и сварки со стеклом. Составы этих сплавов подобраны таким обра­зом, чтобы коэффициент α сплава со­ответствовал коэффициенту α материа­ла, с которым производится соединение, во всем интервале температур, вплоть до размягчения стекла. Это обеспечи­вает сохранение спая при нагреве и ох­лаждении (в процессе изготовления и в условиях эксплуатации) и получение герметичного соединения.

Помимо этого основного требования к сплаву выдвигается требование в от­ношении пластичности и хорошей обра­батываемости давлением.

Основной представитель этой группы сплав 29НК (его называют ко­вар), который имеет такой же коэффи­циент α, как термостойкое стекло, воль­фрам и молибден. В этом сплаве часть никеля заменена кобальтом, что повы­шает температуру точки Кюри и расши­ряет область его применения до темпе­ратуры 420 °С. При тех же температурах начинается размягчение термостойкого стекла. Сплав пластичен и хорошо обрабаты­вается давлением, поэтому он заменил менее пластичные и нежаростойкие во­льфрам и молибден в электровакуум­ном производстве.

Сплав 47НД относится к группе спла­вов, имеющих такой же коэффициент α, как платина и нетермостойкие «мягкие» стекла.

Этот сплав называют платинитом и используют для сварки и пайки с такими стеклами в электровакуумной промышленности. Вследствие высокого содержания никеля сплав имеет высо­кую температуру точки Кюри.

Для пайки с керамикой используется сплав 33НК, являющийся аналогом ковара, но с повышенным содержанием никеля. Для такой пайки не требуется очень точного совпадения коэффициентов α, что упрощает технологию изгото­вления сплава.

В качестве терморегулятора в прибо­ростроении используют биметалличе­ские пластинки, сваренные из двух мате­риалов с различным значением коэффи­циента α. Для этих целей обычно используют инвар 36Н, имеющий мини­мальное значение коэффициента α, и сплав с 25% Ni, у которого коэффи­циент α очень большой (20∙10^-6 1/°С). При нагреве пластинка биметалла силь­но искривляется и замыкает (либо раз­мыкает) электрическую цепь.